特定のアプリケーションのためにシェルとチューブの熱交換器をサイズする方法
シェルおよびチューブの熱交換器の味付けされたサプライヤーとして、特定のアプリケーションのためにこれらのユニットを正確にサイジングすることの重要な重要性を理解しています。井戸 - サイズの熱交換器は、最適なパフォーマンスを保証するだけでなく、エネルギー効率とコスト - 有効性にも貢献します。このブログでは、特定のニーズに合わせてシェルとチューブの熱交換器のサイズを変更するプロセスをご案内します。
ステップ1：アプリケーション要件を定義します
最初で最も重要なステップは、アプリケーションの要件を明確に定義することです。これには、関与する流体の種類、その流量、入口と出口の温度、および望ましい熱伝達速度を決定することが含まれます。
- 流体特性：異なる液体は、比熱容量、密度、粘度など、異なる熱特性を持っています。これらの特性は、熱伝達プロセスに大きく影響します。たとえば、水には比較的高い比熱容量があります。つまり、温度がわずかに変化すると、大量の熱を吸収または放出することができます。一方、オイルは一般に、比熱容量が低く、粘度が高く、熱伝達を妨げる可能性があります。
- 流量：高温液と冷水の流量は、不可欠なパラメーターです。彼らは、単位時間ごとに移動できる熱量を決定します。流量が高いほど、通常、熱伝達速度が高くなりますが、熱交換器全体の圧力低下も増加します。
- 温度要件：高温液と冷たい流体の両方の入口と出口の温度を知ることが不可欠です。 2つの流体間の温度差は、熱伝達の原動力です。温度差が大きいと、通常、熱伝達率が高くなります。
ステップ2：熱伝達率を計算します
アプリケーション要件を定義したら、次のステップは熱伝達速度（Q）を計算することです。熱伝達速度は、次の式を使用して計算できます。
[Q = M \ Times C_P \ Times \ Delta T]
ここで、（m）は流体の質量流量であり、（c_p）は流体の比熱容量であり、（\ delta t）は流体の入口と出口の温度差です。
たとえば、（20^{\ circ} c）から（10 \ kg/s）の質量流量で水を（10 \ kg/s）と（4.18 \ kj/kg \ cdot k）に加熱している場合、熱伝達速度は次のように計算できます。
（\ delta t = 80-20 = 60^{\ circ} c = 60 \ k）
[Q = 10 \ kg/s \ times4.18 \ kj/kg \ cdot k \ times60 \ k = 2508 \ kw]
ステップ3：全体的な熱伝達係数（U）を決定する
全体的な熱伝達係数（U）は、熱交換器が熱を伝達する能力の尺度です。チューブ壁の熱抵抗、チューブ側とシェル側のファウリング層、および両側の対流熱伝達係数を考慮しています。
uの値は、流体の種類、流速、チューブ材料、熱交換器のジオメトリなど、いくつかの要因に依存します。さまざまなアプリケーションのUの典型的な値は、エンジニアリングハンドブックに記載されているか、実験テストを通じて決定されます。
たとえば、水から水の熱交換器では、全体の熱伝達係数は（800）から（1500 \ w/m^{2} \ cdot k）の範囲であり、ガスから液体熱交換器でははるかに低くなります。
ステップ4：対数平均温度差（LMTD）を計算する
対数平均温度差（LMTD）を使用して、熱交換器の長さに沿った高温液と冷水の温度差の変動を説明します。 LMTDの式は次のとおりです。
[lmtd = \ frac {\ delta t_1- \ delta t_2} {\ ln（\ frac {\ delta t_1} {\ delta t_2}）}]]
ここで、（\ delta t_1）と（\ delta t_2）は、熱交換器の両端の高温液と冷水の温度差です。
たとえば、高温液が（100^{\ circ} c）に入り、（60^{\ circ} c）に去り、冷たい液が（20^{\ circ} c）に入り、（50^{\ circ} c）に去る場合10^{\ circ} c）
[lmtd = \ frac {80-10} {\ ln（\ frac {80} {10}）} = \ frac {70} {\ ln（8）} \ compx37.8^{\ circ} c]
ステップ5：熱伝達エリアを計算する（a）
熱伝達速度（Q）、全体の熱伝達係数（U）、および対数平均温度差（LMTD）を決定したら、次の式を使用して必要な熱伝達面積（a）を計算できます。
[a = \ frac {q} {u \ times lmtd}]
前の例の値を使用して、（q = 2508 \ kW = 2508000 \ w）、（u = 1000 \ w/m^{2} \ cdot k）、および（lmtd = 37.8^{\ circ} c = 37.8 \ k）の場合
[a = \ frac {2508000 \ w} {1000 \ w/m^{2} \ cdot k \ times37.8 \ k} \ compx66.3 \ m^{2}]
ステップ6：適切な熱交換器の構成を選択します
利用可能なシェルとチューブの熱交換器の構成には、いくつかのタイプがあります。クロスフローシェルとチューブの熱交換器、垂直シェルチューブ熱交換器、 そして工業用シェルおよびチューブ熱交換器。構成の選択は、利用可能なスペース、流量、圧力降下要件、流体の性質などのさまざまな要因に依存します。
- クロス - 流量熱交換器：これらの熱交換器は、1つの液体が他の流量よりもはるかに高い流量を持っているアプリケーションに適しています。彼らはコンパクトなデザインを提供し、高熱伝達速度を提供できます。
- 垂直熱交換器：垂直シェルチューブの熱交換器は、スペースが制限されている場合、または重力を使用して流体の流れを支援できる場合によく使用されます。また、液体が堆積物またはファウリングを形成する傾向が高い用途にも適しています。
- 産業熱交換器：産業用シェルおよびチューブの熱交換器は、化学、石油化学、発電などの産業における重い義務用途向けに設計されています。それらは、高い圧力、温度、腐食性の環境に耐えるように構築されています。
ステップ7：圧力降下を検討してください
熱伝達要件に加えて、熱交換器全体の圧力低下を考慮することも重要です。圧力低下は、流体の入口と出口の間の圧力の違いです。高圧降下は、流体を循環するのに必要なポンプ容量を増加させる可能性があり、その結果、運用コストが高くなります。
圧力低下は、流量、チューブの直径、チューブの長さ、チューブのパスの数など、いくつかの要因に依存します。圧力降下がアプリケーションの許容限界内にあることを確認することが重要です。
ステップ8：コストとメンテナンスを評価します
最後に、シェルとチューブの熱交換器をサイジングする場合、コストとメンテナンスの要件を考慮することが重要です。熱交換器のコストには、初期購入コスト、設置コスト、および運用コストが含まれます。メンテナンスの要件には、部品の清掃、検査、交換が含まれます。
メンテナンスを簡単にするために設計された井戸のサイズの熱交換器は、運用コストの削減とサービスの寿命が長くなる可能性があります。
結論として、特定のアプリケーションのシェルとチューブの熱交換器のサイジングには、アプリケーション要件、熱伝達原理、および利用可能な熱交換器の構成を完全に理解する必要があります。このブログで概説されている手順に従って、ニーズに合った適切な熱交換器を選択できるようにします。
あなたがシェルとチューブの熱交換器の市場にいるなら、私たちは助けにここにいます。私たちの専門家チームは、あなたのアプリケーションに最適な熱交換器のサイジングと選択を支援することができます。調達ディスカッションを開始し、熱伝達のニーズに最適なソリューションを見つけてください。
参照
- Incropera、FP、＆Dewitt、DP（2002）。熱と物質移動の基礎。ジョン・ワイリー＆サンズ。
- ホルマン、JP（2002）。熱伝達。マクグロー - ヒル。
- カーン、DQ（1950）。熱伝達を処理します。マクグロー - ヒル。